基于軟分區(qū)的三級電壓自動控制系統(tǒng)在山東電網(wǎng)的應(yīng)用

張冰，傅磊，王小波，李新，武誠，馬琳琳，連曉華

（1.山東電力調(diào)度控制中心，濟(jì)南250001；2.國網(wǎng)山東省電力公司威海供電公司，山東威海264200）

基于軟分區(qū)的三級電壓自動控制系統(tǒng)在山東電網(wǎng)的應(yīng)用

張冰1，傅磊1，王小波1，李新1，武誠1，馬琳琳1，連曉華2

（1.山東電力調(diào)度控制中心，濟(jì)南250001；2.國網(wǎng)山東省電力公司威海供電公司，山東威海264200）

自動電壓控制（AVC，Automatic Voltage Control）是電力系統(tǒng)調(diào)度不可或缺的環(huán)節(jié)，山東電網(wǎng)采用了基于軟分區(qū)的三級自動電壓控制系統(tǒng)。介紹AVC基本原理和相關(guān)概念及其在山東電網(wǎng)的應(yīng)用效果，重點探討廠廠協(xié)調(diào)和廠站協(xié)調(diào)的問題。實際運行情況表明，AVC可以有效劃分無功分區(qū)、降低網(wǎng)損，解決廠廠協(xié)調(diào)、廠站協(xié)調(diào)等自動電壓控制難題，提高電網(wǎng)運行的經(jīng)濟(jì)性、可靠性。

自動電壓控制；廠廠協(xié)調(diào)；廠站協(xié)調(diào)

0 引言

自動電壓控制是現(xiàn)代電力系統(tǒng)調(diào)度不可或缺的基本功能。自動電壓控制的主流模式按照控制層次可以劃分為3種。

第一種是二級控制，最優(yōu)潮流（OPF）的優(yōu)化計算結(jié)果直接發(fā)到各電廠的一級電壓控制器進(jìn)行控制，典型的代表是德國RWE電力公司［1］。該控制模式的主要缺點是AVC完全依賴OPF，對全網(wǎng)數(shù)據(jù)要求極高，另外AVC的響應(yīng)速度不夠，動態(tài)控制效果不好。

第二種是基于硬分區(qū)的三級電壓控制，每個控制區(qū)設(shè)置二級電壓控制，協(xié)調(diào)該區(qū)域內(nèi)的多個一級控制器的控制行為，各區(qū)域的二級電壓控制由1個總的三級電壓控制，其典型代表是法國EDF公司［2］。這是國際最先進(jìn)的自動電壓控制系統(tǒng)，得到了廣泛的應(yīng)用，其缺點在于二級區(qū)域的劃分是一成不變的，即硬分區(qū)，難以適應(yīng)快速發(fā)展下的電力系統(tǒng)。

第三種是清華大學(xué)提出的基于軟分區(qū)的三級電壓控制［3］。該模式充分吸收了EDF控制模式的優(yōu)勢，以軟件方式實現(xiàn)了控制的時空解耦，克服了EDF三級控制與生俱來的硬分區(qū)缺陷，根據(jù)電網(wǎng)的運行方式及時調(diào)整分區(qū)，確保了分區(qū)的有效性。這種控制模式與快速發(fā)展的中國電網(wǎng)相適應(yīng)，因此在中國得到了廣泛的應(yīng)用，另外在北美PJM中也得到了應(yīng)用［4］。

結(jié)合山東電網(wǎng)發(fā)展的實際情況，山東電網(wǎng)AVC采用第三種控制模式，取得了很好的效果。介紹該控制系統(tǒng)的基本原理和相關(guān)模型，對其在山東電網(wǎng)的實際應(yīng)用進(jìn)行了分析，然后重點討論了廠廠協(xié)調(diào)和廠站協(xié)調(diào)方法及其應(yīng)用，并通過電網(wǎng)實際運行情況分析驗證了山東AVC系統(tǒng)的應(yīng)用效果。

1 基于軟分區(qū)的三級自動電壓控制系統(tǒng)

1.1 控制體系架構(gòu)

基于軟分區(qū)的三級自動電壓控制系統(tǒng)由“三級”控制組成。

“三級電壓控制模塊”位于控制系統(tǒng)最頂層，一般以10~60 min運行1次，根據(jù)負(fù)荷預(yù)測值，結(jié)合全網(wǎng)可用無功調(diào)節(jié)設(shè)備，進(jìn)行全網(wǎng)無功優(yōu)化，并依據(jù)運行實際進(jìn)行無功分區(qū)的劃分及中樞節(jié)點的選擇，計算結(jié)束后將中樞節(jié)點電壓設(shè)定值下發(fā)至各分區(qū)的二級電壓控制模塊，三級控制模塊的關(guān)鍵問題是全網(wǎng)無功優(yōu)化問題和軟分區(qū)劃分。

“二級電壓控制模塊”分布在各區(qū)域的控制中心，一般控制周期為10~60 s，根據(jù)中樞節(jié)點的調(diào)節(jié)目標(biāo)，確定區(qū)內(nèi)各廠站合理的一級控制器定制并下發(fā)到各廠站執(zhí)行，考慮到區(qū)內(nèi)節(jié)點耦合程度較高，二級控制模塊需充分考慮區(qū)內(nèi)節(jié)點間調(diào)節(jié)行為的相互影響。

“一級電壓控制模塊”為各廠站的本地控制，通過就地調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵磁、有載調(diào)壓變壓器分接頭及無功補(bǔ)償設(shè)備保持本節(jié)點電壓盡可能接近二級電壓控制模塊給定的目標(biāo)值，控制時間常數(shù)為秒級。

1.2 三級電壓控制模塊

1.2.1 全局電壓無功優(yōu)化計算

三級電壓控制本質(zhì)上是全網(wǎng)最優(yōu)潮流，依據(jù)在線超短期負(fù)荷預(yù)報得到下一周期的基態(tài)潮流，在滿足電網(wǎng)安全約束的條件下，綜合考慮電廠、變電站以及備用情況，以網(wǎng)損最小為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行無功優(yōu)化計算，給出全網(wǎng)最優(yōu)的無功電壓優(yōu)化目標(biāo)值。

為說明三級電壓控制降損效果，分別選取具有代表性的負(fù)荷高峰與低谷斷面進(jìn)行優(yōu)化計算。高峰時刻取2013-12-25 T 10∶01∶00時刻斷面，低谷時刻取2013-12-25 T 04∶07∶00時刻斷面，OPF計算結(jié)果分別如表1、表2所示。

表1 典型高峰時刻無功優(yōu)化計算結(jié)果

表2 典型低谷時刻無功優(yōu)化計算結(jié)果

由表1、表2可以看出，三級電壓控制的無功優(yōu)化計算能有效利用無功補(bǔ)償設(shè)備，降低電網(wǎng)損耗水平，提高電網(wǎng)運行的經(jīng)濟(jì)性。

1.2.2 在線自適應(yīng)無功電壓軟分區(qū)

適時合理分區(qū)，實現(xiàn)電網(wǎng)空間解耦，是實現(xiàn)基于“軟分區(qū)”三級電壓控制的關(guān)鍵，直接關(guān)系到控制效果，合理的分區(qū)需滿足：各子區(qū)域有足夠的無功源用于電壓調(diào)節(jié)；各子區(qū)域的控制行為相互影響很小。基于此，山東電網(wǎng)AVC根據(jù)發(fā)電機(jī)、電容器等無功源的控制能力與母線電壓等被控量之間的關(guān)系，構(gòu)造了無功源控制空間，根據(jù)各節(jié)點在該空間中的坐標(biāo)，定義節(jié)點間的電氣距離，在此基礎(chǔ)上通過聚類分析實現(xiàn)無功電壓軟分區(qū)。

山東電網(wǎng)的典型無功電壓軟分區(qū)結(jié)果如表3所示，共有9個分區(qū)，分區(qū)名稱由分區(qū)包含的城市名拼接而成。

表3 山東電網(wǎng)AVC軟分區(qū)結(jié)果

對比表3與山東電網(wǎng)地理接線圖可知，分區(qū)結(jié)果與地理位置有很強(qiáng)的一致性，這是由于地理位置臨近的節(jié)點往往具備電氣距離小、耦合緊密的特征。另外，城市的行政劃分和基于電氣距離的軟分區(qū)劃分有一定的差異性，若不加以分區(qū)，難以充分利用其固有的無功聚類特性，而部分城市名在分區(qū)名稱中不止一次出現(xiàn)，例如7、8分區(qū)中均包含青島、煙臺，這是因為同一城市的節(jié)點在無功源空間中電氣距離不一定是最近的。

由于500 kV聊城站所帶220 kV電廠比較集中，因此該區(qū)域的220 kV廠站單獨形成了第9個分區(qū)，包括500 kV聊城站所帶的220 kV廠站部分，以及聊城電廠的220 kV機(jī)組；而聊城電廠的500 kV機(jī)組被劃入了第1個分區(qū)，參與500 kV電網(wǎng)分區(qū)的控制調(diào)節(jié)。

1.3 二級電壓控制模塊

二級電壓控制模塊通過電廠控制、變電站控制和地調(diào)協(xié)調(diào)控制對關(guān)鍵節(jié)點和關(guān)口的無功電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而調(diào)動了全網(wǎng)的無功調(diào)節(jié)設(shè)備實現(xiàn)三級電壓控制的優(yōu)化目標(biāo)。限于篇幅，不對二級控制展開詳細(xì)分析，僅說明其基本原理，并對廠廠協(xié)調(diào)問題和廠站協(xié)調(diào)問題兩個二級控制中的關(guān)鍵問題進(jìn)行重點分析。

1.3.1 電廠控制

電廠控制以區(qū)域內(nèi)主要發(fā)電廠為控制對象，依據(jù)三級控制設(shè)定的區(qū)域中樞節(jié)點電壓目標(biāo)值，結(jié)合各電廠的可用無功調(diào)節(jié)能力，計算發(fā)電廠高壓母線的控制電壓，并下送至一級控制的發(fā)電廠子站執(zhí)行。

1.3.2 變電站控制

變電站控制模塊以樞紐變電站為控制對象。與電廠控制類似，依據(jù)三級控制設(shè)定的區(qū)域中樞節(jié)點電壓目標(biāo)值，計算區(qū)域內(nèi)所有的可調(diào)變電站的電壓目標(biāo)值。不同的是，該目標(biāo)值不能直接下發(fā)用于控制。一方面，變電站無功設(shè)備的離散性導(dǎo)致電壓控制的非連續(xù)性、階躍性；另一方面，樞紐變電站需綜合考慮3側(cè)母線電壓的安全約束和調(diào)節(jié)要求。因此，變電站控制要結(jié)合變電站的設(shè)備運行情況綜合分析，首先確定是否可控，再生成具體設(shè)備的控制策略下發(fā)給變電站相關(guān)的一級控制執(zhí)行。

1.3.3 地調(diào)協(xié)調(diào)控制

地調(diào)協(xié)調(diào)控制模塊的以各地區(qū)電網(wǎng)的AVC系統(tǒng)為控制對象，根據(jù)三級控制設(shè)定的區(qū)域中樞節(jié)點電壓目標(biāo)值，結(jié)合地調(diào)AVC上送的各節(jié)點可用無功調(diào)節(jié)能力，計算各關(guān)口節(jié)點的無功調(diào)節(jié)需求，并以功率因數(shù)的形式下發(fā)給地調(diào)AVC系統(tǒng)。在山東電網(wǎng)應(yīng)用中，此關(guān)口選在220 kV主變壓器的高壓側(cè)，即地區(qū)電網(wǎng)AVC的控制指令為220 kV主變壓器高壓側(cè)功率因數(shù)。

2 區(qū)域緊耦合節(jié)點的協(xié)調(diào)控制

在二級電壓控制中，由于各子分區(qū)內(nèi)部節(jié)點的相互耦合程度較高，部分節(jié)點控制行為的相互影響較大，此時若僅分別獨立考慮各可調(diào)節(jié)點與中樞節(jié)點調(diào)節(jié)目標(biāo)間的關(guān)系，有可能導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)無功不合理流動、區(qū)內(nèi)無功備用減少、震蕩調(diào)節(jié)以及電壓穩(wěn)定裕度降低。對此，山東電網(wǎng)AVC對區(qū)域內(nèi)緊耦合節(jié)點采取廠廠協(xié)調(diào)和廠站協(xié)調(diào)來實現(xiàn)對無功調(diào)節(jié)設(shè)備的協(xié)調(diào)控制。

2.1 廠廠協(xié)調(diào)

2.1.1 廠廠協(xié)調(diào)優(yōu)化模型

廠廠協(xié)調(diào)針對分區(qū)內(nèi)耦合緊密的發(fā)電廠單元，通過合理調(diào)整各電廠母線電壓設(shè)定值，在保證中樞節(jié)點調(diào)整目標(biāo)的前提下，使不協(xié)調(diào)的電廠恢復(fù)到“平衡”狀態(tài)，削減區(qū)域內(nèi)無功的不合理流動。廠廠協(xié)調(diào)采用的二次規(guī)劃數(shù)學(xué)模型［5］為

式中：ΔQg為發(fā)電機(jī)無功輸出改變量；Cvg、Cg為相關(guān)靈敏度；Wp、Wq分別為有功功率和無功功率；Vp、VH分別為中樞節(jié)點電壓和發(fā)電機(jī)母線電壓；Qg為發(fā)電機(jī)發(fā)出無功功率；εV為無功均衡指標(biāo)閥值。

2.1.2 廠廠協(xié)調(diào)實例分析

以嘉祥電廠和運河電廠為例分析山東電網(wǎng)AVC廠廠協(xié)調(diào)效果，2座電廠同時都直接接入500 kV汶上站，節(jié)點相互作用緊密。12月25日22∶25∶02，運河電廠6號機(jī)組進(jìn)相無功29.4 MVar，5號機(jī)組進(jìn)相無功30.4 MVar，嘉祥電廠1號機(jī)組遲相無功53.6 MVar，2號機(jī)組遲相無功58.1 MVar，需進(jìn)行無功均衡的廠廠協(xié)調(diào)校正控制。

在AVC下發(fā)電壓調(diào)整控制指令時，為避免電廠間出現(xiàn)調(diào)節(jié)振蕩，對需減少無功的電廠下發(fā)電壓保持指令，對需增加無功的電廠下發(fā)電壓增加指令。實際調(diào)節(jié)效果如圖1~2所示，在13∶40—17∶30時段，以及19∶10—23∶55時段，由于分區(qū)內(nèi)電廠間的無功不均衡，按照上述計算過程，AVC對嘉祥電廠下發(fā)維持當(dāng)前母線電壓的目標(biāo)值，調(diào)整后母線電壓為531.99 kV，而對運河電廠下發(fā)電壓升高的目標(biāo)值，調(diào)整后母線電壓為532.07 kV，比調(diào)整前提高了1.83 kV。該過程實施后，實現(xiàn)了2座電廠中4臺機(jī)組的無功均衡出力。

由上述實例分析可知，二級電壓控制的廠廠協(xié)調(diào)控制能修正電廠控制目標(biāo)值，有效提高無功出力的均衡性、削減無功不合理流動、提高區(qū)域電壓穩(wěn)定裕度。

圖1 嘉祥電廠500 kV 1號母線電壓曲線

圖2 運河電廠500 kV 1號母線電壓曲線

2.2 廠站協(xié)調(diào)

2.2.1 廠站協(xié)調(diào)模型

與廠廠協(xié)調(diào)類似，廠站協(xié)調(diào)用來協(xié)調(diào)緊密聯(lián)系的變電站節(jié)點與發(fā)電廠節(jié)點的無功調(diào)節(jié)能力，實現(xiàn)合理的區(qū)域無功電壓調(diào)節(jié)方案。

僅考慮電廠控制作用時，二級電壓對電廠控制的優(yōu)化模型［6］為

式中：Vp、Vs分別為電廠、變電站母線電壓；分別為三級電壓控制下發(fā)的電廠、變電站母線電壓設(shè)定值；Qg分別為發(fā)電廠無功輸出、變電站無功補(bǔ)償；Cpg、Csg為電廠無功輸出和母線電壓間的靈敏度關(guān)系。

由模型中的第二個約束可知，在電廠控制對發(fā)電廠進(jìn)行調(diào)節(jié)時，必須同時滿足協(xié)調(diào)變電站的電壓限制約束。一般情況下，為變電站母線的電壓考核限值，而在AVC考慮廠站協(xié)調(diào)控制問題時，對于協(xié)調(diào)變量Vs所對應(yīng)的約束條件的約束范圍由變?yōu)椋笳呤乔罢叩囊粋€子集，是由變電站控制模塊根據(jù)電網(wǎng)運行“實時”更新的約束范圍，該約束范圍的變化說明了在廠站協(xié)調(diào)模式下，發(fā)電機(jī)的優(yōu)化空間被壓縮。

2.2.2 廠站協(xié)調(diào)實例分析

以500 kV光州站和500 kV萊州電廠為例分析廠站協(xié)調(diào)的控制作用，限于篇幅僅對電抗器投入時的廠站協(xié)調(diào)策略進(jìn)行分析。

光州站4號主變壓器12月17日低壓側(cè)無功曲線如圖3所示，同期由變電站控制模塊下發(fā)的光州站母線協(xié)調(diào)上下限如圖4所示，其中，藍(lán)色為電壓實時量測值，綠色為實時更新的協(xié)調(diào)電壓限值。

由圖4可知，在光州站電抗器投入的時段（21∶00—23∶50），協(xié)調(diào)母線電壓的上限值與量測值基本相同，在該時段內(nèi)由于給出的協(xié)調(diào)約束上限與量測值基本相同，因此在變電站電抗器退出前，AVC要求電廠不再增發(fā)無功，避免了無功的不合理流動，同時體現(xiàn)了離散無功設(shè)備的優(yōu)先動作。

圖3 光州站4號主變壓器低壓側(cè)無功

圖4 光州站500 kV母線協(xié)調(diào)電壓限值

實際運行表明，在二級電壓控制廠站協(xié)調(diào)的作用下，當(dāng)變電站內(nèi)的無功設(shè)備具備投切能力時，向電廠控制模塊發(fā)送協(xié)調(diào)約束，能避免電廠過快增加或減少無功，實現(xiàn)了優(yōu)先采用變電站離散無功設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)，減少廠站之間不合理的無功流動，提高電廠的無功旋轉(zhuǎn)備用，驗證了廠站協(xié)調(diào)控制策略的有效性。

3 結(jié)語

山東電網(wǎng)采用基于軟分區(qū)的三級電壓自動控制系統(tǒng)，實際運行表明，該模式能有效適用于快速發(fā)展的山東電網(wǎng)，魯棒性強(qiáng)，通過高效利用全網(wǎng)的無功調(diào)節(jié)能力、充分發(fā)揮離散設(shè)備和連續(xù)設(shè)備的組合優(yōu)勢，能避免不合理的無功環(huán)流，達(dá)到降低損耗的目的，同時有利于提高無功調(diào)節(jié)備用水平和電網(wǎng)電壓穩(wěn)定裕度，對山東電網(wǎng)實現(xiàn)高水平的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運行有重要意義。

［1］F.R.Graf.Real time application of an optimal power flow algorithm for reactive power allocation of the RWE energy control center［C］.IEE Colloquium on International Practices in Reactive Power Control，1993.

［2］H.Lefebvre，D.Fragnier，J.Y.Boussion.Secondary coordinated voltage control system：feedback of EDF［C］.IEEE Power Engineering Society Summer Meeting，2000.

［3］孫宏斌，張伯明，郭慶來，等.基于軟分區(qū)的全局電壓優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.電力系統(tǒng)自動化，2003，27（8）：16-20.

［4］張明曄，郭慶來，孫宏斌，等.應(yīng)用于北美電網(wǎng)的自動電壓控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2013，37（2）：349-355.

［5］石新聰，王彬，陳佩琳.廠廠協(xié)調(diào)技術(shù)在特高壓近區(qū)自動電壓控制中的應(yīng)用［J］.山西電力，2013（6）：1-5.

［6］郭慶來，孫宏斌，張伯明，等.自動電壓控制中連續(xù)變量與離散變量的協(xié)調(diào)方法（二）廠站協(xié)調(diào)控制［J］.電力系統(tǒng)自動化，2008，32（9）：65-68.

Application of Automatic Voltage Control in Shandong Power Grid

Automatic voltage control is an essential part for power dispatching.The global voltage control strategy based on soft identification of control zones is applied in Shandong.Basic concepts，principles and the application effect in Shandong are briefly introduced.Coordination among power plants and coordination between power plants and substations are discussed in detail.Operation practice shows that AVC can not only reasonably divide the reactive power zones and decrease loss，but also solve the coordination problems among different power plants and substations，thus ensure an efficient and stable power grid.

automatic voltage control；coordination among power plants；coordination between power plants and substations

TM761

：A

：1007－9904（2014）06－0013－04

2014-06-05

張冰（1981），男，高級工程師，從事電力系統(tǒng)運行分析工作；

傅磊（1974），男，高級工程師，從事電力系統(tǒng)運行分析工作；

王小波（1965），男，高級工程師，從事電力系統(tǒng)運行分析工作；

李新（1981），女，工程師，從事電力系統(tǒng)運行分析工作；

武誠（1982），男，工程師，從事電力系統(tǒng)運行分析工作；

馬琳琳（1983），女，高級工程師，從事電力系統(tǒng)運行分析工作；

連曉華（1980），男，工程師，從事電力系統(tǒng)運行分析工作。